柔性机构优缺点与关键技术介绍课件

1、_Given by Leslie Lu, 2013 6 - 1【柔性机构】（1页）【柔性机构的优缺点】（2页）【柔性机构的关键技术】（15页）柔性机构概论的简单回顾柔性机构概论的简单回顾柔性机构的优缺点的介绍柔性机构的优缺点的介绍柔性机构的部分关键技术的介绍柔性机构的部分关键技术的介绍1简 要 回 顾定义：定义：利用材料的变形来传利用材料的变形来传递力或运动递力或运动起源与理起源与理论基础论基础优缺点：优缺点：免装配免装配轴漂轴漂柔性铰链：柔性铰链：形式、分类、形式、分类、性能指标性能指标应用领域：应用领域：机器人、机器人、MEMSMEMS等等关键技术：关键技术：设计、加工、设计、加工、驱动等

2、驱动等典型实例：典型实例：蝴蝶铰链、蝴蝶铰链、RobotsRobots等等2优 缺 点优点柔性机构利用柔性铰链代替了刚性机构的传统的运动副，传传统运动副与构件数目统运动副与构件数目大大减少，从而减少了机构的重量、加工、装配的时间和费用时间和费用，同时也减少了机构中的间隙、摩擦、磨损、润滑等问题，提高了机构机构精度和可靠性精度和可靠性，也减少了维护的成本。2优 缺 点 缺点1. 由于柔性构件变形实现的运动受到变形元件强度的限制，导致其行程有限行程有限2. 轴漂与寄生误差轴漂与寄生误差3. 刚度较差刚度较差4. 长时间经受应力或高温的柔性构件可能会出现蠕变和应力松弛蠕变和应力松弛现象5. 能量存储

3、能量存储3关 键 技 术飞机发动机研制的三大难题：柔性机构的部分关键技术：【1】通过选择材料来增大柔性机构的行程3关 键 技 术矩形梁自由端在力矩形梁自由端在力F F作用下的变形：作用下的变形：334FLEbhmax26FLbh26yFLSbh26yS bhFL最大应力：最大应力：由此可以求出当达到材料的弹性极限时由此可以求出当达到材料的弹性极限时自由端的最大受力自由端的最大受力F F：2max23ySLE h2/Lh/ySE梁在失效前所承受的最大变形为：梁在失效前所承受的最大变形为：可以看出，最大变形与几何尺寸可以看出，最大变形与几何尺寸和材料参数和材料参数有关。有关。 3关 键 技 术【1

4、】通过选择材料来增大柔性机构的行程随之出现的问题：1. 定位精度的降低2. 自然频率和稳定性 的下降3. 几何非线性3关 键 技 术【2】通过选择材料来增大柔性机构的刚度 通过合理选择材质，提高柔性机构的整体刚度，可以提高机构的固有频率和稳定性，以及机构的机械效率，但要保证柔性铰链所受应力处于材料弹性极限以内。TIPS：1.对于压电陶瓷存在的迟滞（一般在14%左右但迟滞曲线不唯一）、蠕变现象的减小方法: 1)采用电荷控制方法;2)采用在压电陶瓷两端串联小电容的方法; 3)Preisach数学模型;4)通用化的Maxwell 模型; 5)多项式近似模型; 6)采用电阻和电容组成桥路; 7)压电陶

5、瓷元件位移闭环（现有的控制方法有PZT控制和变速积分的PI控制等）。2.压电元件的输出位移随着负载刚度的增加而减少。3.驱动器与执行器甚至传感器一体化集成设计对整块的PZT或SMA材料进行激光切割，可免于装配，降低造价，甚至达到减振的功效，而且对于改善机构甚至系统的动态性能也是大有禆益的。3关 键 技 术3关 键 技 术其他驱动器：TIPSTIPS：3个原则：1.1.高精度原则：高精度原则：欲保证运动输出端的高精度，欲保证运动输出端的高精度，除了选择类似高精度驱动器外，运放机构也需除了选择类似高精度驱动器外，运放机构也需要有高精度作保证要有高精度作保证；2.2.功效损耗最小原则：功效损耗最小原

6、则：运计机构作为传动系统，运计机构作为传动系统，总要造成输入端一定程度的功率损耗，原则上，总要造成输入端一定程度的功率损耗，原则上，这种功率损耗应该越小越好；这种功率损耗应该越小越好；3.3.运放倍数决定运放机构拓扑结构原则：运放倍数决定运放机构拓扑结构原则：一般一般情况下，结构越简单，情况下，结构越简单，性能越稳定，但是性能越稳定，但是放大放大倍数倍数也也越小。越小。3关 键 技 术简单的并联机构：简单的并联机构：并联机构的优点并联机构的优点3关 键 技 术缺点：在提升刚度的同时，会减小功能方向的行程【1】柔性铰链的选择(1)限制范围柔性铰链的运动范围应限制在材料的残余应力区以外。柔性铰链的

7、运动范围应限制在材料的残余应力区以外。(2) 实现与传统运动副等效的运动设计时需尽量保证变形轴方向的刚度尽可能小设计时需尽量保证变形轴方向的刚度尽可能小, , 而非变形方向的刚而非变形方向的刚度尽可能大。度尽可能大。(3) 改变变形处的形状和尺寸参数 变形的大小与铰链的长度变形的大小与铰链的长度l l 和铰链细颈处的厚度和铰链细颈处的厚度t t 有关有关, , 但加工工但加工工艺限制了艺限制了t t 的最小厚度。的最小厚度。(4) 开发新型柔性铰链尽管柔性铰链优点很多尽管柔性铰链优点很多, , 同时也存在着一些弱点同时也存在着一些弱点, , 如有限的运动范如有限的运动范围、非固定的转动中心等围

8、、非固定的转动中心等, , 开发新型柔性铰链是一条解决途径。开发新型柔性铰链是一条解决途径。3关 键 技 术【2】结构形式的选择（1）铰链分布方式铰链分布方式主要是指铰链与平台间的位置关系.（2）单个分支内铰链与构件间分布方式单个分支内铰链与构件间分布方式是指两者之间的位置关系, 如3RPS平台机构中二者的分布方式就与3RPS角台机构有很大差别。（3）分支间的位姿关系并联式结构由多个分支组成, 即使采用对称性的结构设计, 有些机型也可因分支间的位姿关系不同而衍生出若干种机型来。3关 键 技 术机构设计的一般流程(1)从设计的要求或指标出发，首先完成机构的构从设计的要求或指标出发，首先完成机构的

9、构型综合及优选，以确定合适的结构型式；型综合及优选，以确定合适的结构型式；(2)通过机构运动学、动力学及其特性分析，完成通过机构运动学、动力学及其特性分析，完成机构运动尺度综合及优选，机构运动尺度综合及优选，(3)还要进行动力学参数的综合与优选，最终以完还要进行动力学参数的综合与优选，最终以完成新机构的设计成新机构的设计. .3关 键 技 术【刚度分析】3关 键 技 术电火花加工法（WEDM）：利用工件和工具电极之间的脉利用工件和工具电极之间的脉冲性火花放电冲性火花放电, , 产生瞬时高温产生瞬时高温使工件材料局部熔化和汽化使工件材料局部熔化和汽化, , 从而达到蚀除加工的目的。电从而达到蚀除

10、加工的目的。电火花加工由于其非机械接触加火花加工由于其非机械接触加工的特点工的特点, , 很适合很适合MEMSMEMS制造的制造的要求。要求。LIGA:LIGALIGA是德文是德文LithographieLithographie，GalanoformungGalanoformung和和AbformungAbformung三个词，即光刻、电铸和注三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写塑的缩写. .是一种基于是一种基于X X射线光刻技术的射线光刻技术的MEMSMEMS加工技术加工技术. .与其它微细加工方法相比，与其它微细加工方法相比，LIGALIGA技术具有如下技术具有如下特点：特点：(1)(1)可制

11、造较大高宽比的结构；可制造较大高宽比的结构；(2)(2)取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；璃等；(3)(3)可制作任意截面形状图形结构，加工精度高；可制作任意截面形状图形结构，加工精度高；(4)(4)可重复复制，符合工业上大批量生产要求，可重复复制，符合工业上大批量生产要求，制造成本相对较低等。制造成本相对较低等。被视为微纳米制造技术中最有生命力、最有前被视为微纳米制造技术中最有生命力、最有前途的加工技术。途的加工技术。3关 键 技 术3关 键 技 术其他加工方法：3关 键 技 术【1】材料【2】驱动【3】运放机构【4】并联机构【1】性能提高：无间隙，无摩擦，可一体化装配，减轻重量【2】成本降低：节省装